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Gicleur .
La présente invention concerne les gicleurs servant à pulvériser un liquide en un cône creux et a pour but de procurer un gicleur perfectionné de ce genre.
Des gicleurs servant à pulvériser des liquides ' . s'utilisent dans de. nombreuses applications dont une des. plus Importantes est de pulvériser- un combustible liquide.. dans l'appareil de combustion d'une turbine.à gaz, pour former un mélange de combustible liquide et d'air. Pour assurer un mé- lange optimum du combustible et de l'air, le liquide est débité par l'ajutage en un cône de pulvérisation creux. De plus, pour favoriser la combustion du combustible, l'angle de la pulvérisa-
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tion ou angle central du cône de pulvérisation est de préférence assezouvert (environ 80 ), pour améliorer la répartition du li- quide.
Avec des gicleurs classiques à large cône de pulvérisa- tion utilisés dans des turbines à gaz, comme la chambre de com- bustion est soumise à une pression élevée, il est extrêmement dif- ficile' de maintenir le cône de pulvérisation requis pour assurer une répartition appropriée du liquide. Aux pressions élevées cou- ramment utilisées dans la chambre de combustion, l'angle de la pulvérisation se referme et le cône se rétrécit ce qui provoque une mauvaise répartition du liquide et un mélange liquide-air incor- rect,en particulier à des débits de combustible élevés, affectant ainsi la combustion et provoquant une répartition inégale' de la température de la sortie de la chambre de combustion.
On a constaté que lorsqu'on utilise un gicleur du type spécifié dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz, la région située à l'intérieur du cône de pulvérisation se trouve à une pression moins élevée que la pression ambiante de la chambre de combustion et la différence de pression résultante est principa- lement responsable de l'instabilité résultante du cône de pulvéri- sation et de sa tendance à se refermer.
Cela étant, la présente invention a pour but principal de procurer un gicleur servant à pulvériser du liquide en un cône creux qui soit plus stable que jusqu'à présent.
L'invention a également pour but de procurer un gicleur du type spécifié avec lequel la tendance du cône de pulvérisa- tion creux à se refermer, lorsqu'il est placé dans une atmosphère fortement pressurisée, soit réduite au minimum.
L'invention a encore pour but de procurer un gicleur du type spécifié comportant des moyens servant à diminuer la dif- ; férence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du cône de pulvérisation.
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Suivant l'invention, un organe tel qu'une barrette s'étend en travers de l'orifice de pulvérisation d'un gicleur conçu pour pulvériser le liquide en un cône creux. La barrette a pour effet, en fonctionnement, de diviser le cône en au moins deux parties espacées. L'espace entre les parties a pour effet de créer un trajet par lequel de l'air à la pression ambiante autour du cône de pulvérisation pénètre à l'intérieur de ce der- nier ce qui réduit au minimum la différence de pression et amé- liore la stabilité du cône de pulvérisation.
La construction intérieure du gicleur peut être classi- que. Par exemple, lorsque le gicleur est du type centrifuge bien connu, l'élément de tournoiement habituel peut être prévu pour imprimer un mouvement de tournoiement initial au liquide avant qu'il passe dans 1-'orifice de pulvérisation.
Ces buts et avantages de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés,dans lesquels.: la Fig. 1 est une coupe axiale d'une partie d'une cham- bre de combustion de turbine à gaz comportant un gicleur pulvé- risant du combustible suivant l'invention; la Fig. 2 est une vue d'extrémité avant,à plus grande échelle,du gicleur représenté sur la Fig. 1; la Fig. 3 est une coupe axiale suivant la ligne III-III de la Fig. 2; la Fig. 4.est une coupe axiale fragmentaire suivant la ligne IV-IV de la Fig. 2; la Fig. 5 est un graphique montrant les conditions de débit.obtenues avec un gicleur connu ;
la Fig. 6 est un graphique semblable à la Fig. 5 mais montre les conditions de débit obtenues avec la présente in- vention, et. la Fig. 7 est une coupe axiale d'une autre forme d'exé-
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cution de l'invention.
Les dessins détaillés et plus particulièrement la Fig. 1 représentent la partie d'extrémité amont d'une chambre de combustion 10 pourvue d'un gicleur de pulvérisation 12 suivant l'invention.
La chambre de combustion est représentée en partie, car elle peut être de n'importe quel type approprié utilisé pour produire des produits de combustion gazeux chauds sous pression afin d'entraîner une turbine à gaz (non représentée).
La chambre de combustion 10, dans les dessins, est du type "canister" et comprend un corps tubulaire 13 et une paroi d'extrémité amont 14 en forme de curette. Le corps 13 est percé de plusieurs lumières circonférentielles espacées 15 par lesquel- les de l'air comprimé pour la combustion est admis dans la chambre de combustion 16. Le gicleur 12 est alimenté de combustibls liqui- de depuis une source appropriée quelconque (non représentée) par une conduite 17 et est utilisé pour injecter du combustible liquide sous pression sous forme d@ pulvérisation dans la. chambre de combustion 16. Le gicleur est fixé dans la paroi d'extrémité 14 de n'importe quelle façon appropriée,par exemple par un écrou de blocage 18.
Comme le montre la Fig. 3, le gicleur 12 est du type centrifuge et est pourvu d'un corps extérieur 19 comportant une cavi' té cylindrique 20 délimitée à une extrémité par une paroi d'ex- trémité 21 du corps et taraudée en 22.
La paroi d'extrémité 21 est pourvue d'un orifice de dé- bit de combustible circulaire central 23 délimité en partie par une surface tronconique 24 à son extrémité intérieure. On organe de tournoiement 25 comportant une surface tronconique correspon- dante 26 est ajusté sur la surface 24 et est pourvu d'une cou- ronne circulaire de rainures obliques 27.
L'organe de tournoiement 25 est maintenu dans une posi-' tion étroitement ajustée par un organe de blocage cylindrique 28
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fileté en 29 pour se visser dans le taraudage 22 et comportant un partie de diamètre diminué 30 qui porte contre l'organe do tournoie- j ment. L'organe de blocage 28 comporte un passage axial 31 susceptible d'être raccordé à la enduite de combustible 17 (Fig. 1) et plu- sieurs lumières transversales 33.
Le gicleur 12, que l'on vient de décrira tst en substan- ce classique et fonctionne de la façon suivante. Du combustible liquide sous pression est introduit par la conduite 17 dans le passage 31 vers les lumières 33 et passe ensuite dans la partie annulaire de la cavité 20 (entre les filets 22 et la partie 30 de l'organe de blocage 28) par les rainures obliques 27 vers l'orifice de pulvérisation 23. Comme le liquide est divisé en plusieurs filets tournoyants par les rainures 27, il sort de l'orifice 23 sous une forme pulvérisée en un cône de pulvérisa- tion creux.
Suivant l'invention, le corps 19 du gicleur est pourvu d'une barrette 35 placée de manière à s'étendre diamétralement en travers de l'orifice de débit 23. La largeur transversale de la barrette est inférieure au diamètre de l'orifice de débit et la barrette peut être attachée au corps 19 de n'importe quelle façon appropriée. Mais, comme le montrent les dessins, la face d'extrémité du corps est pourvue d'une nervure annulaire 36 con- centrique à l'orifice 23 et la nervure est pourvue d'encoches dia- métralement opposées 37. Les parties d'extrémité opposées de la barrette 35 sont engagées dans les encoches 37 et sont fixées au corps 19 par des joints brasés 38.
Pendant le fonctionnement, comme le montrent les Fig. 1 et 4, le liquide sort du gicleur 12 sous une forme finement divi- sée et la pulvérisation forme un cône creux S comportant un angle de sommet extérieur ou conique a d'environ 80 Le cône de pulvé- risation S a la forme d'une gaine conique creuse dont la largeur augmente progressivement, comme indiqué par W, de sorte que l'angle
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conique intédrieur d1 est inférieur à l'angle conique extérieur a.
L'angle conique extérieur a est appelé angle de pulvérisation nominal. Mais, pour vérifier le débit, on considère "l'angle de conicité équivalent" comme le critère le plus important car il s'agit de l'angle auquel le débit du combustible est maxi- mum et cet angle est compris entre les angles c1 et a.
La barrette 35 est capable de diviser le cône S en deux demi-canes 81 et s2 séparés l'un de l'autre par deux espaces ou intervalles angulaires diamétralement opposés P (dont un seule- ment est représenté) dans lequel le débit est en substance nul.
Cela étant,pendant les conditions de combustion, avec des pressions ambiantes élevées dans la chambre de combustion 16, les effets aérodynamiques du cône de pulvérisation S tendent à créer une dépression dans la région R. Mais la différence entre la pression ambiante dans la chambre de combustion 16 et cel- le de la région S est diminuée, car les intervalles laissent passer de l'air comburant sous pression qui égalise les pres- sions.
Par conséquent, le cône de pulvérisation S tend à être plus stable que jusqu'à présent et les angles de pulvérisa- tion intérieur et extérieur c1 et a respectivement ont moins tendance à se refermer. On obtient ainsi une distribution plus stable du combustible pulvérisé dans la chambre de combustion 16 ce qui améliore la combustion.
Quoique la barrette 35 représentée sur les dessins, soit de section circulaire, elle peut être de n'emporte quelle autre section appropriée, par exemple elliptique, rectangulaire ou triangulaire. La largeur transversale de la bar - rette n'est pas critique. Mais des essais ont montré que la largeur transversale optimum de la barrette est celle qui donne aux inter- ' Vallès P une divergence angulaire d'environ 30 à 45 avec une petite de charge du combustible d'environ 7 kg/cm2 au passage de l'orifi- ce 23.
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Les Fig. 5 et 6 sont des graphiques montrant dés condi- tions de débit typiques obtenues avec un gicleur classique et
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avec le gicleur de l'invention,respectivement,à des fins de com- paraison. Les deux gicleurs. essayés sont en substance identiques sous tous rapports sauf que le premier utilisé pour obtenir les courbes représentées sur la Fig. 6 a été modifié et a été équipé de la barrette 35 qui divise le cône de. pulvérisation. Pour obte- < nir les deux jeux de graphiques représentés, la perte de charge j du combustible au passage des orifices a été maintenue à 7 kg/cm2.
Sur la Fig. 6, on peut voir que l'axe des abscisses porte la légende "demi-angle de pulvérisation" et l'axe des ordonnées porte la légende "débit de combustible". C'est-à-dire que les dé- bits du combustible sont indiqués pour la moitié du cône de pulvéri- sation du combustible S, le point 0 es abscisses étant pris à l'axe central 40 de l'orifice (Fig. 1 et 3). L'autre moitié du cône de pulvérisation-est en substance identique et n'est pas re- présentée pour la simplicité.
La Fig. 6 représente deux courbes A.et B. La courbe A a été obtenue à une pression ambiante de 2,09 kg/cm2 absolus ou légèrement supérieure à 2 atmosphères. Comme on peut s'en rendre compte, le point culminant 41 de la courbe A a été atteint à environ 32 de sorte que l'angle de pulvérisation"réel" est d'environ 640 tandis que le demi-angle maximum pour le -. débit du combustible est d'environ 40 de sorte que l'angle nominal a est d'environ 80 . Comme mentionné plus haut, l'angle réel est le critère important.pour évaluer les caractéristiques de pulvérisation d'un gicleur et a une valeur comprise entre celle des angles a et c1
On atteint la courbe b à une pression ambiante considé- * rablêment supérieure de 8,41 kg/cm" absolus ou légèrement supérieure à 8 atmosphères.
Le point culminant 42 de cette courbe se situe à environ 23 de sorte que l'angle de pulvérisation réel est d'envi-
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ron 46 et le demi-angle . maximum pour le débit du combustible est d'environ 30 de sorte que l'angle nominal a est d'environ 60 .
En d'autres termes, avec la présente invention, l'angle de pulvéri- sation nominal passe de 80 à 60 (diminution d'environ 25%) tandis' que l'angle de pulvérisation réel passe de 64 à 46 (diminution d'environ 29%).
Deux courbes A' et B' sont représentées sur le graphique de la Fig. 5. La courbe A' est obtenue à une pression ambiante de 2,01 kg/cm2 absolus ou d'environ 2 atmosphères. Le point culmi- nant 44 de la courbe A' est obtenu à environ 30 de sorte que l'angle de pulvérisation est d'environ 60 tandis que le demi-angle maximum pour le débit du combustible.est d'environ 47 et que l'an- gle, de pulvérisation nominal est d'e@viron 94
On obtient la courbe B' à une pression ambiante consi- dérablement accrue de 8,03 kg/cm2 absolus ou légèrement inférieure à 8 atmosphères.
Le point culminant de cette courbe est obtenu à environ 7,5 de sorte que l'angle de pulvérisation réel est d'en- , viron 15 et le demi-angle maximum pour le débit du combustible est d'environ 43 de sorte que l'angle nominal est d'environ 86 .
Cela étant, l'angle de pulvérisation nominal passe de 94 à 86 (diminution d'environ 9%),tandis que l'angle de pulvérisation réel passe de 60 à 15% (diminution d'environ 75%).
En comparant ces données, on peut remarquer que,malgré - que la diminution del'angle de pulvérisation nominal à des va- leurs élevées de la pression ambiante semble supérieure avec la présente invention (25% contre 9%), la diminution de l'angle de pulvérisation réel est considérablement moindre (29% contre 75%) Cela étant, la présente invention améliore fortement la stabilité de la répartition du combustible pulvérisé.
Quoique les Fig. 5 et 6 ne montrent que deux jeux de cour- bes pour la comparaison, d'autres courbes obtenues à des pressions
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ambiantes intermédiaires(non représentées) indiquent des résultats proportionnellement améliorés avec la présente invention.
La Fig. 7 représente un gicleur de pulvérisation de li- quide 50 suivant une variante de l'invention. Le gicleur 50 est du type connu sous le nom de "gicleur à air" et comprend un gicleur de pulvérisation de combustible centrifuge 51 en substance identique au point de vue construction et fonctionnement au gicleur 12 décrit plus haut et comportant une barrette 52 qui s'étend en travers de l'orifice de débit 53. Cela étant, la construction intérieure détaillée du gicleur 51 n'est plus représentée.
Le gicleur 50 comprend, en outre, un corps 54 comportant un organe de montage 55 (représenté en partie) présentant une bri- de taraudée 56 et un capuchon 57 vissé dans la bride 56. Le capuchon
57 comporte un orifice 58 de plus grand diamètre que l'orifice 53 ' et concentrique à ce dernier. La bride 56 comprend également une partie tubulaire 59 comportant une cavité taraudée 60 qui commu- nique avec un passage 61 et dans laquelle le gicleur 51 est vissé.
Le capuchon 57 comporte une douille intérieure 63 et forme avec celle-ci un passage annulaire convergent 64 qui com- munique à une extrémité avec l'orifice 58. Une chambre intérieure
65 formée conjointement par la douille intérieure 63 et par la partie cylindrique 59 communique avec un passage d'alimentation d'air 66 et un plateau de tournoiement annulaire 67 est placé entre le gicleur 51 et la douille 63. Le plateau de tournoiement
67 est pourvu d'une couronne annulaire d'ouvertures obliques 68.
En fonctionnement, du liquide sous pression provenant d'une alimentation appropriée (non représentée) est introduit par le passage 61 dans le gicleur 51 et est débité par ce dernier en un cône de pulvérisation creux divisé en deux parties par la bar- rette 52, comme décrit dans la première forme d'exécution.
Simultanément, de l'air sous pression provenant d'une alimentation appropriée (non représentée) est envoyé par le pas-.
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sage 66 dans la chambre 65 et passe ensuite par les ouvertures obliques 68 avec une action de tournoiement et est finalement .déchargé en une gaine annulaire autour du cône de liquide p ulvérisé débité par l'orifice 53. Le liquide pulvérisé est donc pulvérisé davantage par la gaine d'air qui l'enveloppe et est fina- lement éjecté par l'orifice 58.
Le capuchon 57 est également pourvu d'une couronne annulaire de lumières d'admission 70 et de plusieurs couronnes 'II' de lumières de sortie 71 qui entourent l'orifice 58. Pendant le fonctionnement comme décrit plus haut, de l'air ambiant est as- piré par les lumières d'admission 70 et est débité en plusieurs jets séparés par les lumières de sortie 71 pour maintenir la sur- face extérieure du capuchon 57 en substance exempte de dépôt de produits de combustion.
La présente invention procure donc un système simple et très efficace pour améliorer les caractéristiques de pulvé- risation d'un gicleur de pulvérisation de liquide: De plus, les caractéristiques de pulvérisation d'un gicleur utilisé avec une pression ambiante supérieure à la pression atmosphérique sont améliorées,de sorte que, lorsque du combustible liquide est ainsi pulvérisé dans une chambre de combustion sous pression, le mé- . lange d'air et de combustible est amélioré ce qui rend la combustion' plus uniforme.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux dé- tails d'exécution décrits,auxquels des changements et des modi- fication peuvent être apportés sans sortir de son cadre.